程瑤

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710000）

基于CAN的車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程瑤

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安710000）

對(duì)于當(dāng)前社會(huì)信息化技術(shù)發(fā)展的前提下，基于CAN總線技術(shù)，分析設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)的需求，并基于SAE J1939協(xié)議，從系統(tǒng)需求分析、總體結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、CAN總線設(shè)計(jì)、硬件、軟件代碼設(shè)計(jì)方面優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車載故障診斷系統(tǒng)。結(jié)果證實(shí)，基于CAN設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)，可以提升系統(tǒng)在診斷車載故障時(shí)的準(zhǔn)確率，提升34.0%，可以在線完成對(duì)車輛故障的診斷工作，發(fā)揮積極應(yīng)用性能。結(jié)論表明，基于CAN技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車載故障診斷系統(tǒng)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

車載故障診斷系統(tǒng)；CAN；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)時(shí)代的發(fā)展，在現(xiàn)代汽車的故障診斷方面，當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時(shí)，繼續(xù)能夠及時(shí)診斷車輛故障情況，因而設(shè)計(jì)開發(fā)車載故障診斷系統(tǒng)，即將成為一大趨勢(shì)[1-4]。文中基于CAN總線技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)車載故障診斷系統(tǒng)，以確?？梢约皶r(shí)診斷車輛故障，發(fā)揮積極影響。

1 CAN總線技術(shù)

CAN總線最初是由德國(guó)BOSCH公司提出的數(shù)字信號(hào)通信網(wǎng)絡(luò)目的是為了解決汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的諸多復(fù)雜技術(shù)和難題，它屬于總線式的串行通信協(xié)議[5-8]。在CAN總線技術(shù)支持下，可以使系統(tǒng)的硬件連接變得更為簡(jiǎn)單，也可以使硬件運(yùn)行中有良好的可靠性，提升信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，運(yùn)用該技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能價(jià)格比也較高[9]。同時(shí)，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用CAN總線技術(shù)，也總是能夠滿足當(dāng)前現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通信需要，特別是在工業(yè)數(shù)據(jù)的總線通信領(lǐng)域之中，更是能夠發(fā)揮積極的應(yīng)用價(jià)值[10]。分析CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)，主要就表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：首先，在系統(tǒng)線路控制中，CAN總線是一種多主站的總線，并且可以確保在任意的時(shí)刻內(nèi)，總線各節(jié)點(diǎn)均能夠主動(dòng)的想控制網(wǎng)絡(luò)的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，可以不分主從級(jí)別的進(jìn)行節(jié)點(diǎn)通信，運(yùn)用CAN總線設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)的通信模式更為靈活。其次，在CAN總線中，也具備較為獨(dú)特的非破壞性仲裁技術(shù)，可以將具有高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先的為其傳送數(shù)據(jù)，這樣就能滿足系統(tǒng)運(yùn)行通信中的實(shí)時(shí)性要求[11-16]。運(yùn)用總線CAN技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)，發(fā)揮重要作用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

在本次設(shè)計(jì)的CAN技術(shù)下的車載故障診斷系統(tǒng)中，應(yīng)該提高系統(tǒng)中各個(gè)ECU之間的通信速度，從而運(yùn)用CAN總線技術(shù)簡(jiǎn)化線路，降低系統(tǒng)總線故障頻率，更加方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車各電子控制單元（ECU）間的通信[17]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用CAN總線通信技術(shù)中，還具有一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、全局傳送數(shù)據(jù)的通信功能，發(fā)揮應(yīng)用優(yōu)勢(shì)基于CAN總線技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車載故障診斷系統(tǒng)，確?？梢允箓鹘y(tǒng)的車載故障診斷系統(tǒng)與能夠故障診斷儀相互結(jié)合，這樣就可以將故障診斷儀完善的數(shù)據(jù)通信功能、友好的界面顯示與在板故障診斷的實(shí)時(shí)性相結(jié)合[18]，從而能夠完成故障信息如故障診斷碼、故障描述等的實(shí)時(shí)采集與顯示。同時(shí)在車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該確保能夠及時(shí)有效的處理車輛故障信息，提升車載設(shè)備的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化車載設(shè)備維修困難，保證汽車安全運(yùn)行，滿足系統(tǒng)用戶使用需求。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于CAN的車載故障診斷系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)中，運(yùn)用CAN技術(shù)，從三大模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，主要包含總線接入的模塊、主控的模塊以及實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)人機(jī)交互的模塊，由這3部分組成系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

總線接入模塊由CAN控制器和收發(fā)器兩個(gè)部分組成。主要就是可以通過車輛中設(shè)置的車載古鎮(zhèn)診斷系統(tǒng)的接口，能夠與車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，這樣就有助于實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)，確保車載故障診斷系統(tǒng)同車輛控制數(shù)據(jù)的交互傳輸。

在系統(tǒng)的人機(jī)交互模塊之中，則主要是面向用戶設(shè)計(jì)的，因此可以由LCD屏以及觸摸屏這兩個(gè)部分組成，該模塊在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)，主要就是可以顯示車輛的相關(guān)狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)也可以顯示車輛的故障信息，也可以確保用戶通過該模塊查詢車輛狀態(tài)，也可以輸入故障診斷指令，運(yùn)用系統(tǒng)診斷車輛故障。

同樣，對(duì)于系統(tǒng)的主控制器模塊，主要就是控制交互模塊與總線模塊的，確保這兩個(gè)模塊能夠有序的運(yùn)行，并且可以通過程序設(shè)計(jì)，有效發(fā)揮車載故障診斷系統(tǒng)的各項(xiàng)故障診斷控制作用。

3.2 系統(tǒng)CAN總線設(shè)計(jì)

在CAN中學(xué)技術(shù)支持下的車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確保提升系統(tǒng)診斷故障的實(shí)時(shí)性。相較于傳統(tǒng)的車載故障診斷系統(tǒng)中，是不允許設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的，因此可以運(yùn)用CAN技術(shù)，分析汽車上各設(shè)備、各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性，然后就可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對(duì)車載故障診斷實(shí)時(shí)性的要求，能夠設(shè)計(jì)出針對(duì)高、中、低速不同速率的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化假設(shè)系統(tǒng)的CAN總線，能夠設(shè)計(jì)高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)、中速的CAN通信網(wǎng)絡(luò)以及低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)要求的總線傳輸。同時(shí)，也可以針對(duì)這3個(gè)不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置網(wǎng)關(guān)，連接3個(gè)網(wǎng)關(guān)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車載故障診斷系統(tǒng)中全部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的共享。就如，在車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于車輛中座椅調(diào)節(jié)、中央門鎖以及車燈控制部分，沒有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性需求，可以將其設(shè)置為低速通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置其通信波特率為30 bps。因而，本次設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)中，其CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2中所示。

3.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件部分

基于CAN技術(shù)，設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)中，為確保能夠減少系統(tǒng)的開發(fā)周期，將會(huì)運(yùn)用由Motorola公司生產(chǎn)帶CAN模塊的MC9S12DP256微處理器。在 MC9S12DP256中，不僅包含 16位的 HCS12 CPU，性價(jià)比高，可以降低車載故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本，簡(jiǎn)化車載故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)與升級(jí)過程，發(fā)揮積極應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同樣，在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分，其CAN收發(fā)器以及電源系統(tǒng)的控制部分，也均是應(yīng)用MC9S12DP256芯片來控制實(shí)現(xiàn)的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，MC9S12DP256硬件的主頻可以高達(dá)25 MH，不僅2個(gè)能夠異步串行通信的SCI口，也具備一些通信接口，滿足系統(tǒng)控制診斷車輛故障的需求，維護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行，使設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)發(fā)揮實(shí)用價(jià)值。

圖2 系統(tǒng)的CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)中，基于CAN總線技術(shù)，將會(huì)采用嵌入式的Linux系統(tǒng)作為車載系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。之后，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用Linux操作系統(tǒng)后，就可以將故障診斷系統(tǒng)中所有的硬件操作，均放入到故障診斷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)，完成對(duì)系統(tǒng)故障診斷的、任務(wù)調(diào)度以及并發(fā)控制等操作。同樣，在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為確保系統(tǒng)在未來有更好的擴(kuò)展性，可以優(yōu)化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)層次，這樣不僅可以簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，使故障診斷系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)更加清晰，也可以提升系統(tǒng)故障診斷功能的可移植性，便于日后系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)。關(guān)于本次設(shè)計(jì)的軟件層次結(jié)構(gòu)，具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)層次

對(duì)于本次設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)中，運(yùn)用CAN技術(shù)，在系統(tǒng)的軟件驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方面，由于驅(qū)動(dòng)程序一般是在系統(tǒng)的內(nèi)核部分，主要就是負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)同車輛各外圍硬件設(shè)備之間通信的，因此應(yīng)該優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)此部分。具體系統(tǒng)代碼實(shí)現(xiàn)中，故障診斷算法訓(xùn)練部分代碼如下所示：

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益分析

其驗(yàn)證本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益，能夠利用CAN alyst-II CAN-bus的總線分析儀，從而可以搭建出本次車載故障診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬測(cè)試環(huán)境，從而能夠?qū)Ρ敬卧O(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，進(jìn)行相關(guān)的應(yīng)用測(cè)試。對(duì)此，可以選取多組的測(cè)試參數(shù)，對(duì)車載故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，系統(tǒng)得出的故障診斷解析結(jié)果全部正確，部分結(jié)果如表 1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

當(dāng)實(shí)際運(yùn)行中，若是車輛發(fā)生故障之時(shí)，運(yùn)用基于CAN車載故障診斷系統(tǒng)，這樣也能夠在系統(tǒng)的人際交互窗口中，顯示出車輛相關(guān)設(shè)備的故障源。對(duì)于本次測(cè)試中，關(guān)于瞬時(shí)油耗的顯示中，能夠讓車輛的駕駛員認(rèn)知了解到在進(jìn)行車輛各種操作時(shí)，車輛在瞬時(shí)的油耗情況，這樣就有助于糾正司機(jī)不良駕駛車輛的習(xí)慣。同樣，在系統(tǒng)長(zhǎng)，也可以應(yīng)用CANPro協(xié)議，基于系統(tǒng)的故障診斷分析平臺(tái)，向系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送相應(yīng)的報(bào)文，測(cè)試車子故障診斷系統(tǒng)的監(jiān)控性能，確保系統(tǒng)在實(shí)際中發(fā)揮實(shí)際作用。本次系統(tǒng)應(yīng)用測(cè)試的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證結(jié)果

基于CAN設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)，可以提升系統(tǒng)在診斷車載故障時(shí)的準(zhǔn)確率，提升34.0%，可以在線完成對(duì)車輛故障的診斷工作，發(fā)揮積極應(yīng)用性能，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益，具有積極影響?；贑AN設(shè)計(jì)車載故障診斷系統(tǒng)，運(yùn)用CAN網(wǎng)絡(luò)，不僅可以提升車載故障診斷系統(tǒng)的性能，也可以提升系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，同樣也可以使設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)維持其獨(dú)特的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值。在社會(huì)實(shí)踐中應(yīng)用基于CAN技術(shù)設(shè)計(jì)的車載故障診斷系統(tǒng)，不僅能夠檢測(cè)出車載設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的故障錯(cuò)誤，也可以通過在線的模式診斷分析車載設(shè)備故障，簡(jiǎn)化車輛故障診斷程序，提升車載系統(tǒng)診斷效率，發(fā)揮積極的應(yīng)用效益，因而也越來越受到人們的重視，發(fā)揮積極的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)價(jià)值。

5 結(jié) 論

綜上所述，基于CAN技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)車載故障診斷系統(tǒng)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求，發(fā)揮積極設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)效益，可以在實(shí)踐中推廣該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

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Design and implementation of vehicle fault diagnosis system based on CAN

CHENG Yao
（Shaanxi College of Communication Technology，Xi'an 710000，China）

In the context of the current society of the development of the information technology，based on the CAN bus technology.Analysis design of vehicle fault diagnosis system of demand，and based on SAE J1939 protocol，from the system requirements analysis，overall structure，functional design，design of CAN bus，the hardware and the software code design aspects of optimization design of vehicle fault diagnosis system.The results confirmed that the design of vehicle fault diagnosis system based on the CAN bus can be lifting system in vehicle fault diagnosis accurate rate and enhance the 34.0%，can be completed online vehicle fault diagnosis，and play an active application performance.Conclusion shows that the vehicle fault diagnosis system based on CAN technology can meet the needs of practical application，and play an active design to achieve benefits.It can promote the design of the system in practice.

vehicle fault diagnosis system；CAN；system design

TN99

A

1674－6236（2017）10-0162-04

2016-06-22稿件編號(hào)：201606160

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2012JM8011）

程 瑤（1984—），女，廣東中山人，碩士，講師。研究方向：汽車制造裝配，汽車電子，新能源汽車。